活塞环耐磨涂层及其摩擦磨损机理研究进展

李 辉 孙日超 魏 琪 栗卓新

北京工业大学，北京，100124

0 引言

内燃机节能减排问题已经成为全球焦点，美国最近提出要降低内燃机40%燃油消耗的指标［1］。降低燃油消耗就意味着要进一步降低内燃机摩擦损耗并有效提高燃烧效率。对于汽车发动机来说，活塞环－缸套摩擦副产生的磨损在整机摩损中占最大比例(40%)［2］，且该摩擦副中活塞环的磨损远远大于缸套的磨损，因而研究活塞环的摩擦磨损及其表面防护问题有着十分重要的意义。

由于活塞环工作条件苛刻，单一材料难以胜任，故表面涂层及其他表面强化技术被逐渐应用于活塞环。最常见的涂层是电镀硬铬涂层，它技术成熟，综合性能好，但电镀过程严重污染环境，寻求替代镀硬铬的技术势在必行。热喷涂、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等涂层技术也正逐步得到应用。其中，热喷涂技术工艺灵活、涂层均匀，与涂层基体结合好，生产效率高，在活塞环上显示了良好的应用前景。国内外相关研究单位在这一方面开展了大量工作，并取得了一定的进展，但在活塞环表面高性能耐磨涂层开发的一些基础研究上还不够深入，对活塞环与缸套之间摩擦磨损机理的一些问题还有待深刻揭示。

1 活塞环工况及其表面工程技术

1.1 复杂的工况条件及其性能要求

活塞环的工况条件极其复杂:一方面，它要长时间在较高温度下工作;另一方面，压缩过程中，活塞环要能对燃烧室起有效密封作用，同时还承受巨大的气体压力及来自曲柄的侧推力。活塞环与缸套在摩擦磨损过程中形成的磨屑及不完全燃烧形成的积碳，会产生异质颗粒，使摩擦副形成三体摩擦，燃油燃烧产生的SO2、SO3等也会带来腐蚀磨损的问题。此外，由于活塞环在上下止点附近处于边界润滑状态，故涂层将与缸体材料发生剧烈的磨损［3］。上述苛刻的工作环境决定了活塞环及其涂层材料的特殊性，即要求活塞环基体及涂层材料具有良好的耐磨性，并且强度高、韧性好，能在200～300℃下长期承受各种载荷而不发生疲劳断裂。

1.2 活塞环涂层技术及相关材料

活塞环基体材料经历了由普通灰铸铁、高合金铸铁、球墨铸铁到钢的变化历程。铸铁耐磨性好但韧性较差，球墨铸铁韧性好但耐磨性差，钢能满足现代发动机活塞环强度高、韧性好的要求。目前，汽油机中已大量采用钢制环，柴油机活塞环也将逐渐被钢制环所替代。但是，钢制环耐磨性较差，通常需要采用氮化、CVD、PVD、大气等离子喷涂(APS)、高速火焰喷涂(HVOF)等表面改性或表面涂层技术来改善。除此之外，辉门公司还将复合镀技术(铬基陶瓷复合镀CKS、铬－金刚石复合镀GDC)引入活塞环的生产中，所制备的涂层具有优异的耐刮擦性能，特别适用于高输出比的柴油机。

氮化活塞环的耐磨性无法满足某些高耐磨场合的需求。采用CVD、PVD方法在材料表面沉积一层几微米厚的薄膜能够起到减磨作用，常用的薄膜材料有类金刚石 DLC及 TiAlN、CrN、TiN、BN、SiN等氮化物［4］。但气相沉积法制备的薄膜普遍偏薄，在承载高载荷时很难满足使用要求，因此，工业界研究重点在热喷涂涂层上。

APS技术在制备耐磨、耐高温涂层方面具有一定优势，尤其适合喷涂熔点较高的金属、非金属材料。在活塞环热喷涂涂层的开发研究上，Mo及Mo基复合涂层是APS涂层研究的焦点，研究者比较关注的是涂层摩擦学特性与喷涂粉末(种类、粒度、形貌)、喷涂工艺之间的关系。纯Mo涂层［5-7］的研究结果表明，其耐黏着磨损能力要优于电镀铬涂层，但是耐磨料磨损性能要比镀铬层差。

在纯 Mo粉末中加入黄铜、Al－Si、NiCrBSi等耐磨相后［8-9］，制备的Mo基复合涂层不仅保留了纯Mo涂层耐刮擦性能好的优点，还可有效地提高耐磨性。此外，Cr3C2、WC、Cr2O3、Al2O3等纯陶瓷耐磨涂层也是研究的热点之一，但陶瓷材料的本征脆性在一定程度上限制了它们的应用，如Cr2O3涂层的耐磨性远高于镀铬涂层［10］，但涂层一旦出现裂纹，磨损率会快速增加［6］。美国专利US，6887585 B2［11］和 US，RE39070E［12］中的活塞环耐磨涂层均包含Mo及上述材料，涂层具有优异的耐磨、耐刮擦性能。Mo的作用体现在两方面:一方面，Mo在热喷涂过程或摩擦磨损过程中会发生氧化，形成MoO2薄膜，在摩擦副表面能起到自润滑作用［9］;另一方面，Mo涂层具有优异的耐刮擦性能。

除APS技术外，HVOF技术也在活塞环涂层上得到较为广泛的应用。与 APS技术相比，HVOF喷涂粒子温度低、飞行速度快，因此得到的涂层的结合强度高、孔隙率更低，在耐磨场合更有优势。在HVOF喷涂用粉末方面，对WC－Co、Cr3C2－NiCr、氧化物陶瓷和复合粉末的研究居多。较之于电镀铬涂层，HVOF制备的WC－Co和Cr3C2－NiCr等涂层具有更小的摩擦因数和更好的耐磨性能［7，13-17］。

为了提高涂层的摩擦学性能，减小摩擦因数，自润滑复合涂层也成为关注的热点，Landa等［18］对活塞环用TiOx自润滑涂层进行了多年研究，发现在涂层制备过程中，TiOx可能会形成 Magnéli相，该相存在晶体学切变面，在800℃下具有良好的润滑性，有望成为替代活塞环现有涂层的选择之一。此外，在喷涂材料中添加BaF2/CaF2、MoS2、石墨、六角形氮化硼、聚四氟乙烯等润滑相也能有效地减小摩擦副之间的作用力，减小摩擦因数，专利 US，6887585 B2［11］、US0069724Al［19］所介绍的涂层中，均加入了少量的石墨、六角形氮化硼、聚四氟乙烯、Sn、石墨等自润滑相。但是，大多数润滑相的耐磨性差，在涂层中含量不易过多。

此外，粉末制备方法及粉末粒度也是热喷涂涂层设计时应考虑的因素，如Rastegar等［7］发现，采用包覆粉制备的Cr3C2－NiCr涂层耐磨性好于烧结粉制备的涂层。Liu等［16］发现，在同种工艺(HVOF或APS)条件下，粉末大小虽然不是决定耐磨性高低的主要因素，但是对耐磨性仍存在一定的影响。

综上所述，热喷涂金属陶瓷复合涂层在活塞环表面有较好的发展前景，目前在欧美国家活塞环市场中，已有采用APS、HVOF技术制备的金属陶瓷涂层，而国内市场由于成本原因，绝大多数商业化的产品仍是采用电镀硬铬涂层，APS、HVOF制备的活塞环涂层仅处于实验室阶段。

2 活塞环失效形式及摩擦磨损研究现状

2.1 活塞环常见的失效形式

活塞环使用中常见的失效形式主要有磨合期磨损、疲劳断裂、胶合(严重擦伤、拉缸)、异常磨损等。

在磨合期阶段，材料处于二体磨损状态，摩擦副表面并没有完全被润滑剂分开，两表面微凸体相互接触，随着磨合的进行，接触的微凸体逐渐被磨平，磨削量逐渐降低，摩擦因数减小［20-21］。Hamilton等［22］认为磨合期的磨损特点与油膜厚度的变化情况有关，并证实随磨合期进行，润滑油膜逐渐建立，磨削量开始减小。Ma等［21］在研究磨合期的磨损量时发现，前一小时的磨损量是随后两小时的12倍。因此，磨合期的磨损是不可忽视的。

抗擦伤性能往往与摩擦副双方的材料相关。从研究结果来看，为提高涂层的抗擦伤性，一般通过添加 Mo 元素来提高耐擦伤性能［3，5，7］，不同粉末材料及制备方法对涂层的耐擦伤性影响很大。Herbst－ Dederichs［23］研究发现，复合电镀层、APS涂层、HVOF涂层、PVD涂层的耐擦伤性能逐渐增强。Landa等［18］发现TiOx涂层的抗擦伤性甚至要优于Mo基复合涂层。

除擦伤外，活塞环磨损失效的形式还包括异常磨损、疲劳断裂等。据统计，活塞环总磨损量的90%往往是几小时的异常磨损造成的［24］。目前，针对异常磨损理论的研究还比较少。Chun［25］对活塞环缸套磨损量进行实时监控，发现发动机运行1583h后磨损情况发生突变，这是由于活塞环磨损量不断增大，使得活塞环闭口间隙变大、油耗量增多，该现象在实验中已得到证实。闭口间隙增大会引起窜气及油耗增大，使磨损情况发生突变，这可能是异常磨损产生的原因。疲劳磨损(裂纹扩展)往往与活塞环及涂层韧性相关。在对涂层进行台架测试时，Rastegar等［7］发现韧性好的涂层抗裂纹扩展(抗疲劳磨损)的能力明显提高。

氧化也是活塞环磨擦磨损中值得关注的问题之一。有研究结果指出，铸铁缸套与Mo环对磨后，铸铁表面发生明显的氧化层增厚现象，其氧化产物磨损脱落后有可能充当磨料，加剧涂层的磨料磨损［26］。

2.2 摩擦磨损研究现状

国外学者在活塞环涂层材料、磨损机理方面开展了很多系统研究，国内学者在这一方面的研究起步比较晚。张家玺等［24］指出，活塞环摩擦磨损问题极其复杂，研究的关键是掌握各种磨损机理发生的条件、特征和变化规律。这方面的研究主要针对滑动速度、载荷、工作温度等工况参数，以及摩擦副材料、表面形态、润滑状况等因素展开。

大量工作集中关注了摩擦磨损试验中的滑动速度、加载力、温度等工艺参数的影响，但不同研究所得出的结论不尽相同(这可能与实验条件的不同有关)。如Hwang等［9］发现，摩擦副双方的磨损率随载荷增大而增大，而摩擦因数却在减小。Murat等［27］发现，摩擦副双方磨损率与摩擦因数都随载荷增大而增大。宋炳珅等［28］认为，载荷和速度对摩擦力的影响较小，温度对摩擦磨损有显著影响，这点与白敏丽等［29］的结论相同。

涂层及其表面形貌能影响两表面微凸体的接触，进而影响涂层耐磨性。Liu等［16］在研究涂层的耐磨性能时发现，硬度、孔隙率与耐磨性高低有直接关联。Johansson等［30］发现，表面粗糙度对摩擦磨损的影响比材料更大，这一结论也得到了Jang等［31］的支持，后者进一步发现表面粗糙度对软表面耐磨性的影响比硬表面大。Sui等［32］详细分析了表面粗糙度对摩擦磨损的影响，发现表面粗糙度在减小到一定水平时可以明显减小磨损量，且表面形貌的方向参数对磨损量也有影响。因此，Johansson等［30］认为有必要全面系统开展三维表面形貌对摩擦磨损性能影响的研究工作。

长久以来，活塞环的润滑状态及其对摩擦磨损性能的影响都是研究热点。该研究始于20世纪30年代，经过半个世纪的发展，学者普遍认识到活塞环的润滑状态与摩擦磨损直接相关，活塞环的摩擦磨损主要发生在油膜厚度较小的边界润滑、混合润滑条件下。在不同润滑条件下，磨损机制往往要发生转变。如 Karamisb等［6］发现，Al－Mo－Ni涂层在油摩擦条件下只发生轻微的磨料磨损，在干摩擦条件下出现较严重的黏着磨损。Uyulgan等［5］发现，在酸性环境与大气环境下，涂层的磨损机制发生了明显的转变。

综上所述，尽管对活塞环摩擦磨损开展了大量工作，但目前研究对活塞环磨损机理的分析还不能量化，在磨合期理论和异常磨损的研究上不够系统，在分析各种因素对活塞环摩擦磨损的影响上不够全面和深入，因此，难以总结出活塞环摩擦磨损机理及机理相互转变的原因。

3 活塞环摩擦磨损装置

在活塞环摩擦磨损研究中，摩擦磨损装置的选用和开发具有举足轻重的作用。通常来说，活塞环涂层的性能需要在专门的台架试验机上进行测试和评价，但由于实验成本昂贵，只有少量商业化活塞环厂商才采用这一方案。实验室的研究大多采用成熟的摩擦磨损试验机或自行研制的摩擦磨损试验机。

从运动形式上看，摩擦磨损试验机有旋转、往复、往复旋转复合运动形式。Karamisb 等［6］、Hwang等［9］选用旋转运动形式的实验机进行摩擦磨损模拟测试。由于实际活塞环在缸套表面做上下往复运动，采用线性往复式比旋转式试验机更能准确反映活塞环缸套摩擦副摩擦磨损情况。文献［5，7，27，30］采用线性往复试验机进行实验。

线性往复摩擦磨损实验标准有ASTM D5707，DIN51834 －1、DIN51834－2、DIN51834－3等系列。另外，美国材料试验协会ASTM已经公布了适用于活塞环缸套摩擦磨损的标准 G181－11［33］。该标准主要研究活塞环上止点处的摩擦磨损性能，并详细指出实验步骤、方法，认为一般应选择活塞环－缸套接触宽度的5～10倍为试验冲程。另外，标准还详细阐述了如何进行磨合期实验及润滑油选择等问题。

在线性往复试验机中，SRV(DIN51834)高温摩擦磨损试验机是最常用的实验装置。实验中需要准确控制载荷，润滑油的种类、黏度、添加量、温度，以及试验机的冲程大小、频率、滑动速度等变量，另外需要监控摩擦力、油温、载荷甚至速度的变化。

很多研究者采用自行研制的摩擦磨损装置进行试验。由于实际活塞环与缸套是环－曲面接触，采用环状活塞环与缸套材料进行实验的越来越多。任旻等［34］设计了一种接近台架试验的装置。施洪生等［35］发明了一种可快速加热润滑油、监控油温油膜厚度、判断活塞环缸套润滑情况的装置。合肥工业大学自主研制了往复式发动机缸套－活塞环摩擦磨损实验台［36］。

4 结论

①为降低活塞环磨损，对活塞环表面处理已成为共识，替代电镀铬涂层的涂层中，APS、HVOF涂层具有较好的应用前景。②热喷涂材料研究的主流对象是复合粉末，其中，Mo元素及其混合涂层是研究重点。HVOF制备的金属陶瓷涂层有望成为未来发展趋势。③活塞环摩擦磨损研究进展缓慢，不同磨损形式的相互作用关系复杂，磨合期磨损、异常磨损分析起来困难。另外，很少的研究能综合考虑实验参数的影响，不同学者得出的磨损规律有时相互冲突，系统、全面、深入地开展活塞环磨损机理研究应是未来发展的趋势。④活塞环摩擦磨损测试趋向采用线性往复运动装置，且模拟实验标准化加强，自行研发装置增多。

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